Τα συστήματα ενεργειακής διαχείρισης κτιρίων (Budling Energy Management Systems [BEMS]) είναι ολοκληρωμένα συστήματα που αυτοματοποιούν και ελέγχουν όλες τις λειτουργίες ενός κτιρίου, επιτυγχάνοντας σημαντικά ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας, μειωμένο κόστος συντήρησης κ.ά.
Του κ. Αντώνη Μαϊτού*
Ένα συνηθισμένο σύστημα αυτοματισμού BEMS αποτελείται από: έναν ανεξάρτητο ελεγκτή ή δικτυωμένη συστάδα ελεγκτών, λογισμικό / βάση δεδομένων και ενσύρματη / ασύρματη διασύνδεση με ελεγκτές πεδίου που ελέγχουν τον ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό που ένα BEMS επιτηρεί και διαχειρίζεται.
Οι συνήθεις ελεγκτές διαθέτουν βασική οθόνη LCD, οθόνες HMI (human-machine interface) ή εξόδους τύπου HDMI, για τη διεπαφή του χρήστη με τη συνήθη ιστοσελίδα πρόσβασης / διαχείρισης (web interface). Η διεπαφή συνήθως επιτρέπει την ασφαλή διασύνδεση του χρήστη με το διακομιστή (web server) του ελεγκτή, ώστε να είναι δυνατή η ρύθμιση και διαχείριση του BEMS και του συνδεδεμένου εξοπλισμού.
Μέσω των ιστοσελίδων του διακομιστή, ο χρήστης έχει πρόσβαση στις βασικές ρυθμίσεις του ελεγκτή. Αρκετές εταιρείες διαθέτουν εξειδικευμένα «κλειστά» εργαλεία ρύθμισης των ελεγκτών τους, με συνέπεια ο μηχανικός / τεχνικός να πρέπει να εκπαιδεύεται σε διαφορετικά εργαλεία και ενίοτε να έχει πρόσβαση μόνο κατόπιν συνδρομής.
Μέχρι και την προηγούμενη δεκαετία, οι εταιρείες αυτοματισμού δεν πρόσφεραν πραγματικά ανοιχτά πρωτόκολλα κτιριακού αυτοματισμού . Λέγοντας «ανοιχτά πρωτόκολλα» αναφερόμαστε σε βιομηχανικά πρότυπα επικοινωνιών όπως το BACnet, που επιτρέπουν συναλλαγή σημάτων ανεξάρτητα από κατασκευαστή εξοπλισμού, χωρίς κόστος χρήσης του πρωτοκόλλου ανά μηχάνημα, και με δημόσια τεκμηρίωση. Σήμερα η αρχιτεκτονική των BEMS διατίθεται με ανοιχτά πρωτόκολλα, σε υλοποιήσει όπως το Niagara, το EcoStruxure και άλλα.
Τα ανοιχτά πρωτόκολλα επιτρέπουν σε συσκευές διαφορετικών κατασκευαστών να επικοινωνούν μεταξύ τους μειώνοντας σημαντικά την ανάγκη για μεταφραστές σήματος και την πολυπλοκότητα της αρχιτεκτονικής. Στον πίνακα 1 καταγράφονται ανοιχτά και κλειστά πρωτόκολλα αυτοματισμού / ελέγχου. To πλεονέκτημα των κλειστών πρωτοκόλλων είναι η ασφάλειά τους, π.χ FOX με χαρακτηριστικό παράδειγμα το ιδιοκτησιακό πρωτόκολλο της πλατφόρμας Niagara, FOX (Facility Online eXchange). Στον πίνακα 1 καταγράφονται συνήθη ανοιχτά πρωτόκολλα για BEMS. Εκτός από την λειτουργία με ανοιχτά πρωτόκολλα, το BEMS πρέπει να μπορεί να διασυνδέεται η να ενσωματώνει πρωτόκολλα για: έλεγχο φωτισμού(π.χ DALI) και συλλογή μετρήσεων και τηλεμετρία όπως το M-BUS και το MQTT.
Το M-BUS συνήθως λειτουργεί με τοπικούς μετρητές, ενώ το MQTT(Message quening telemetry transport), για εγκαταστάσεις με μεγάλο πλήθος δεδομένων.
Απαιτήσεις για την επιλογή συστήματος BEMS
Θεμελιώδεις απαιτήσεις για την επιλογή ενός BEMS είναι να αποτελεί μια ολοκληρωμένη λύση ασφαλούς επικοινωνίας, με δυνατότητα διασυνδεσιμότητας συσκευών από διαφορετικούς κατασκευαστές. Οι βασικές απαιτήσεις που μπορεί να καλύπτει η πλατφόρμα διαχείρισης των επιμέρους συστημάτων του BEMS παραθέτονται στον πίνακα 2.
Πίνακας 1: Ανοιχτά δημοφιλή πρωτόκολλα επικοινωνιών
| Α / Α | ΑΝΟΙΧΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ / ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ |
| 1 | BACnet: Διαμορφώνεται ως ένα σύστημα κανόνων επικοινωνίας από εξειδικευμένη επιτροπή της ASRHAE. Λειτουργεί ως BACnet / IP μέσω Ethernet / WiFi. [2] |
| 2 | Modbus (RTU / TCP). Είναι το παλαιότερο σύνηθες πρωτόκολλο (1979) και χρησιμοποιεί επικοινωνία πελάτη – εξυπηρετητή (client-server). Eίναι απλό, διαθέτει ανοιχτή τεκμηρίωση. Είναι δε ιδιαίτερα διαδεδομένο για βιομηχανικές συσκευές, PLCs, μετρητές, αισθητήρες. Μειονεκτεί στο θέμα της ασφάλειας.
|
| 3 | KNX. Οι προδιαγραφές του είναι ανοιχτές. Διαθέτει αποκεντρωμένη αρχιτεκτονική, επιτρέποντας κάθε κόμβο / συσκευή να επικοινωνεί με άλλες συσκευές στο δίκτυο. |
Πίνακας 2: Απαιτούμενες δυνατότητες για την επιλογή πλατφόρμας BEMS
| Δ – ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ | |
| 1 | Να υλοποιεί εύχρηστα την ενεργειακή διαχείριση για τα βασικά ενεργειακά υποσυστήματα ενός κτηρίου(θέρμανση, ψύξη, αερισμός, φωτισμό, ΖΝΧ, μετρητές) |
| 2 | Να λαμβάνει σε σχεδόν πραγματικό χρόνο δεδομένα, από μετρητές/αισθητήρες |
| 3 | Να διαθέτει λειτουργικότητα με ελεγκτές διαφορετικών κατασκευαστών και να είναι διασυνδέσιμη με ανοιχτά πρωτόκολλα κτηριακού αυτοματισμού |
| 4 | Να συμμορφώνεται με τις οδηγίες της Ε.Ε., που καθορίζουν τους ευφυείς δείκτες ετοιμότητας (SRI) κτηρίων, υλοποιώντας τις απαραίτητες λειτουργίες ελέγχου. |
| 5 | Να υλοποιεί διαδικασίες λειτουργικής παραλαβής είτε βάσει προτύπων είτε με συνήθεις κατασκευαστικές προδιαγραφές |
| 6 | Να διαθέτει λογισμικό ανάλυσης δεδομένων , καταναλώσεων και σφαλμάτων |
| 7 | Να υλοποιεί χρονοδιαγράμματα λειτουργίας και τιμές ελέγχου εξοπλισμού εύκολα. |
| 8 | Να προγραμματίζει στάθμες συναγερμών και αναγγελίες βλαβών του εξοπλισμού. |
| 9 | Να διαθέτει κυβερνοασφάλεια σύμφωνα με τα τρέχοντα πρότυπα ασφαλείας. |
| 10 | Να διαθέτει διαδικασίες συντήρησης, αντιγράφων ασφαλείας και μετάπτωσης. |
| 11 | Να παρέχει τοπική και απομακρυσμένη διαχείριση για πολλά επίπεδα χρηστών. |
| 12 | Να διαθέτει λογισμικό δημιουργίας αναφορών, μηχανισμό ενσωμάτωσης γραφικών και διαδικασίες υπολογισμού για δείκτες ενεργειακής περιβαλλοντικής απόδοσης (KPI), και για τους ευρωπαικούς δείκτες SRI. |
Στον πίνακα 3 καταγράφονται οκτώ ενδεικτικά σήματα από συνήθη λίστα σημάτων ενός BEMS. Τα σήματα δίνονται ανά κατηγορία ΙΟ (εισόδου / εξόδου).
Εφαρμογές εξοικονόμησης ενέργειας με BMS
Υπάρχουν πολλαπλές εφαρμογές εξοικονόμησης ενέργειας, οι οποίες μετρούνται, ρυθμίζονται και ελέγχονται μέσω συστημάτων διαχείρισης ενέργειας. Τέτοιες εφαρμογές είναι οι εξής:
- Βελτιστοποίηση ελέγχου γραφείων (28% εξοικονομήσεις ενέργειας)[2]. Σε βρετανικό κτίριο γραφείων του 1967, με εμβαδόν 17.600m2, έγιναν επεμβάσεις βελτιστοποίησης με χρήση βαθμονομημένου ψηφιακού διδύμου. Απέφεραν εξοικονομήσεις της τάξης του 28%.
- Έλεγχος φωτισμού με χρήση KNX [3]. Με χρήση αισθητήρων παρουσίας, συνδεδεμένων σε BMS μέσω πρωτόκολλου ΚΝΧ, έγινε εξοικονόμηση ενέργειας, της τάξης του 35% ετησίως
- Στρατηγικές ελέγχου για μηχανικούς [4]. Συνήθης στρατηγική ελέγχου είναι η ελεγχόμενη απόκριση σε μετρούμενη ζήτηση. Τα βρετανικά κτίρια γραφείων συνήθως λειτουργούν με 60-70% πυκνότητα πληθυσμού. Η κατανάλωση ενέργειας ανεμιστήρων για νωπό αέρα δύναται να μειωθεί σε ποσοστά 50-60% (εικόνα 1). Το ΒΜS επιτηρεί τον αριθμό χρηστών και ρυθμίζει την παροχή νωπού, επιτρέποντας τη μείωση της ενεργειακή κατανάλωσης.
Ψηφιακά δίδυμα
Το μέλλον, που είναι ήδη εδώ, προδιαγράφει ψηφιακές ρέπλικες κτιρίων και μοντελοποίηση των ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων με σημασιολογικές οντότητες. Ένα τυπικό ψηφιακό δίδυμο ενσωματώνει τις φυσικές οντότητες του κελύφους / ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού σε ένα εικονικό μοντέλο και χρησιμοποιεί την αμφίδρομη ψηφιακή επικοινωνία τους μέσω ενός ΒΜS, για να επιτηρεί, να ελέγχει και να μεταβάλει τις παραμέτρους του εικονικού μοντέλου. Με BΕΜS, ένα ψηφιακά δίδυμο κτίριο (digital twin) μπορεί να επιτρέψει εξοικονομήσεις ενέργειας οι οποίες φτάνουν το 30% [6].
*O κ. Αντώνης Μαϊτός είναι μέλος του Εργαστηριακού Διδακτικού Προσωπικού (Ε.ΔΙ.Π.) του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής.
ΠΗΓΕΣ
1. BACnet. A Data communication protocol for Building Automation and Control Networks. ASHRAE.
https: / / ashrae.iwrapper.com / ASHRAE_PREVIEW_ONLY_STANDARDS / STD_135_2024).
2. Back in control: making savings with BMS optimization. CIBSE journal online.
https: / / www.cibsejournal.com / technical / back-in-control-how-bms-optimisation-saved-171000-in-nine-month
3. Saving Energy with KNX (case study). ABB publication.
https: / / library.e.abb.com / public / 12fd967de6924f208ecc69c1504d1696 / ABB%20KNX%20Case%20study_9AKK107045A9932.pdf
4. Unlocking the secrets of the black box: control strategies for engineers. CIBSE journal online, February 2020.
https: / / www.cibsejournal.com / technical / unlocking-the-secrets-of-the-black-box /
